CN111501657B - 一种基于人工造浪的水动力提升装置及其性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工造浪的水动力提升装置，包括电机、曲轴、漂浮支架、连接线、滑轮和浮筒，所述电机和所述滑轮安装在所述漂浮支架上，所述曲轴固定在所述电机上，所述连接线一端连接所述曲轴，另一端绕过滑轮与位于漂浮支架下的浮筒连接。本发明还公开了两种所述水动力提升装置的性能测试方法，一种是采用物理缩小模型，一种是采用数学建模进行数值模拟。本发明的水动力提升装置实现了一定区域内的水动力提升，所采用的测试方法也精确的量化了装置运行后水动力弱区的改善效果，为科学、经济地运行水动力装置，改善河道水动力条件提供决策依据。

Description

一种基于人工造浪的水动力提升装置及其性能测试方法

技术领域

本发明涉及水利技术，尤其涉及一种基于人工造浪的水动力提升装置及其性能测试方法。

背景技术

随着水利事业的发展，多处地方建设了闸坝，闸坝一方面可以有效防洪排涝、拒咸蓄淡、浇灌供水，但是另一方面阻碍了水流的连通性，造成河道水动力条件变差，不仅不利于污染物质的输移，易导致河湖水质恶化，而且“一潭死水”不能满足人们对“潺潺流水”生动美景的需求。因此，有必要采用人工措施，提升河道局部弱动力区域的水动力条件。

随着国内旅游产业的蓬勃发展，造浪戏水因趣味性高、游客互动性强，广受人们的欢迎。现有造浪技术，多应用于船舶与海洋工程领域，目前的人工造浪主要有机械推板式、真空提升式、空气压缩式等，各自的特点描述如下：

a、机械推板式。该方式的工作原理是，通过电机带动固定在水中的推板，产生前后摇动，通过改变摇板的运动频率和幅度制造波长和波高的波浪。此方式主要适用于室内或较小尺度的人工造浪。

b、真空提升式。利用风机将空腔里面的空气抽空以提高室内水位，再通过控制系统，按照一定的波浪要素，控制阀门系统的开关，影响气室水位的高低产生波浪。这种造浪方式，可以制造2m以上的大浪，也被称为推移流，其气势宏伟，主要应用在大型冲浪滑板造浪池和试验用池。特点是造浪高度高，波浪效果好、观赏性和娱乐性强，但通常设备效率低，所需功率大，造浪间隔长，建造和运营成本较高。

c、空气压缩式。空气压缩式是目前室内最常用的造浪方式，是通过风机向下端的空气腔进行鼓风，经过不断的抽、排空气制造波浪。其具有结构简单、维护保养方便、维护成本低、使用周期长等优点，但设备噪声大、造浪高度较小。

针对尺度较大的天然沙滩，以上3种常用的造浪方式(机械推板式，真空提升式，空气压缩式)，较难得到应用。此外，针对局部弱动力区域，如何定量评价装置运行后水动力弱区的改善效果，是现有水动力提升装置技术运用领域亟待解决的难点。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于人工造浪的水动力提升装置及其性能测试方法，人工造浪设备采用悬浮振荡式，既可以提升弱动力区的水动力条件，还兼具人工造浪的娱乐效果，尤其适宜尺度较大的天然沙滩等区域，性能测试方法通过水工模型实验与数值模拟相结合，对装置的性能及效果进行测试，量化人工造浪装置的整体和局部区域的造浪效果及水动力提升效果，为造浪装置的选择及运行提供决策与依据。

技术方案：本发明所述的基于人工造浪的水动力提升装置包括电机、曲轴、漂浮支架、连接线、滑轮和浮筒，所述电机和所述滑轮安装在所述漂浮支架上，所述曲轴固定在所述电机上，所述连接线一端连接所述曲轴，另一端绕过滑轮与位于漂浮支架下的浮筒连接。所述浮筒底盘可以为圆形或方形。

本发明所述的基于人工造浪的水动力提升装置的性能测试方法，包括如下步骤：

S1、获取水动力弱区域尺寸；

S2、建立水动力弱区域缩小后的物理模型，其中，缩小比例为预设平面比尺λ_L；

S3、在水动力弱区域物理模型中随机选择S个监测点布置浪高监测设备；

S4、设置m*n种工况，具体为设置水动力提升装置中浮筒直径或边长分别为r₁、r₂、…、r_m、浮筒振幅分别为h₁、h₂、…、h_n的工况，并按照平面比尺λ_L将设置的工况进行转换，得到水动力提升装置物理模型的m*n种工况，具体为直径或边长r₁’、r₂’、…、r_n’浮筒振幅分别为h₁’、h₂’、…、h_n’的工况，其中，

i＝1，..，m，j＝1，…，n；

S5、按照预设工况启动电机，得到所有工况下的波浪高度集合A’＝{a_l'|l＝m*n*S}和波浪周期集合T’＝{t_l'|l＝m*n*S}；

S6、将波浪高度集合A’中所有波浪振幅按照平面比尺λ_L进行换算，将波浪周期集合T’中所有波浪周期按照周期比尺λ_T进行换算，得到水动力弱区域天然状态下的波浪振幅集合A＝{a_l|l＝m*n*S}和波浪周期集合T＝{t_l|l＝m*n*S}，其中，a_l＝λ_La_l'，t_l＝λ_Tt_l'，

S7、根据波浪高度集合A和波浪周期集合T，得到水动力提升装置的性能，其中，弱动力区域波浪高度越高，水动力提升性能越好。

本发明所述的另外一种基于人工造浪的水动力提升装置的性能测试方法包括如下步骤：

S1、建立水动力弱区域的水动力数学模型，具体包括：

(1)质量连续方程：

式中，u，v，w为笛卡尔坐标系x、y和z三个方向的速度分量，A_x，A_y，A_z分别是在x、y、z方向上可流动的面积分数，ρ为流体密度，R_SOR为密度源项；

(2)动量方程：

式中，G_x，G_y，G_z分别是x、y和z三个方向的重力加速度；f_x，f_y，f_z分别是x、y和z三个方向的粘滞力加速度；项U_w＝(u_w，v_w，w_w)表示源组件三个方向的速度；项U_s＝(u_s，v_s，w_s)表示源表面处的流体相对于源本身三个方向的速度；V_F是有自由面的流体体积分数，R是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为1，δ表示一个系数，取0时，表示压力边界条件为滞压型，取1时，表示压力边界条件为静压型；

(3)湍流模型：

式中，k_T为湍动能，P_T为湍流产生项，G_T为浮力产生项，

为扩散项，ε_T为湍动能耗散率，RMTKE，CDIS1和CNU为用户定义参数，默认值分别是1.39，1.42和0.085，CDIS2由k_T和P_T计算得到，v_T为运动湍流粘度；

(4)流体分布：

流体分布根据流体体积函数F(x，y，z，t)来定义，该函数表示每单位体积的流体#1的体积，且满足如下等式：

式中：F是函数F(x，y，z，t)缩写，ζ是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为0，υ_F为扩散系数，F_SOR是密度源项，是与质量源相关的流体#1的体积分数时间变化率；

S2、获取水动力弱区域的边界，并采用六面体结构化网格划分为若干网格，水动力弱区域四周及底部均采用无划移Wall边界，顶部设置为压力边界，大气压强为1.01×10⁵Pa，流体分数设置为0，表示完全是空气；

S3、建立水动力提升装置的数学模型，放置于水动力弱区域中心；

S4、设置m*n种工况，具体为设置水动力提升装置浮筒直径或边长分别为r₁、r₂、…、r_m浮筒振幅分别为h₁、h₂、…、h_n的工况；

S5、水动力提升装置分别按照设置的工况启动，通过建立的水动力数学模型追踪自由表面流动，确定自由液面位置，并基于有限差分法对模型进行离散求解和GMRES隐式求解器计算，得到所有工况下各区域速度分布；

S6、根据各工况下各区域速度分布，得到水动力提升装置的性能，其中，流速越大，水动力提升性能越好。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明采用一种上下悬浮振荡式实现水动力提升，通过在水上设置一定大小的浮体，按照机械或真空等传动方式，引起浮体上下振荡，从而形成波浪，提升弱动力区域的水动力条件，同时能够打造人工波浪的效果，改善河道水环境，并兼备娱乐及观赏的功能。在使用时，通过改变造浪底盘的大小以及通过调节震动的频率与幅度，可对产生波浪的大小和形态进行调节，决策者可根据对产生波高的实际需要选用合适的造浪器。此外，本发明结合水工模型实验与数值模拟，对造浪装置的性能及效果进行测试，量化分析人工造浪装置的整体和局部区域的造浪效果及水动力提升效果，为造浪装置的选择及运行提供决策与依据。

附图说明

图1是本发明提供的基于人工造浪的水动力提升装置的结构示意图；

图2是梅山水道万人沙滩航拍图(a)和物理模型图(b)；

图3是监测点位置示意图；

图4是水动力提升装置的物理模型图；

图5是造浪机放置示意图；

图6是数值模拟的计算区域；

图7是造浪机附近和万人沙滩整体流速分布图(a：造浪机附近局部区域，b:万人沙滩整体流速分布)。

具体实施方式

本实施例提供了一种基于人工造浪的水动力提升装置，如图1所示，包括电机1、曲轴2、漂浮支架(图未示)、连接线3、滑轮4和浮筒5，漂浮支架可以漂浮在水面上，电机1和滑轮4安装在漂浮支架上，曲轴2固定在电机1上，由电机1带动转动，连接线3一端连接曲轴2，另一端绕过滑轮4与位于漂浮支架下的浮筒5连接。通过电机的带动，浮筒5做上下运动，进行造浪，浮筒5底盘可以为圆形或方形，图1为圆形。

本实施例还提供了上述水动力提升装置的性能测试方法，具体提供了两种测试方法，一种是通过缩小的物理模型进行测试，另一种是通过数学模型进行测试。采用缩小物理模型进行测试的方法具体包括如下步骤：

S1、获取水动力弱区域尺寸；

本实施例的水动力弱区域为梅山水道万人沙滩，梅山水道位于宁波市北仑区梅山岛西北侧，水道南北向长度11.5km，宽度500～800m，平均水深5～10m。梅山水道原为一条潮汐通道，平均潮差3.0m，涨落潮平均流速约0.3～0.5m/s，2012～2016年实施了在水道两端修建了南北两堤，南北两堤合龙后，水道内水动力大幅度减弱，同时水道周边还有十余条内河排水，造成水道内水环境问题日益突出。万人沙滩选址在梅山水道南堤北侧，北起梅山红桥附近，南至南堤，沙滩总体成弧型状，沙滩总长约1.88公里，万人沙滩平面总体成弧型状，拦沙堤的圆弧半径约340m，如图2a所示。沙滩局部区域水动力微弱，易造成污染物集聚、水质差、容易暴发赤潮等灾害问题。

S2、建立水动力弱区域缩小后的物理模型，其中，缩小比例为预设平面比尺λ_L。

本实施例平面比尺λ_L＝64，采用正态模型，建立水动力弱区域缩小后的物理模型，具体如图2b所示。

下面介绍下其他比尺。

波浪水流模型相似律包括：几何相似和波浪运动相似，其中，波浪运动相似包含波浪折射、波浪陡度、波浪传播速度和波浪绕射、波浪反射相似，其比尺关系为：

波浪折射、波浪陡度、波浪传播速度相似比尺：λ_L＝λ_h

波浪绕射、波浪反射相似比尺：λ_C＝λ_T＝λ_h ^1/2

波浪传质运动相似：λ_um＝λ_C＝λ_h ^1/2

式中：λ_l、λ_h分别为波长、波高比尺；λ_C、

分别为波速、波浪传播速度比尺。

设造浪器电机的转速为n(r/min)，曲轴的半径为d，浮体上下振荡幅度为2d，按照这种工作方式，浮体的上下振荡周期

模型的周期比尺为：

频率比尺为：

表1模型比尺汇总

S3、在水动力弱区域物理模型中随机选择S个监测点布置浪高监测设备。

本实施例中在沙滩周围及红桥、南堤等布设12个监测点，测点位置见图3，具体位置如图3所示#1到#12。

S4、设置m*n种工况，具体为设置水动力提升装置中浮筒直径或边长分别为r₁、r₂、…、r_m、浮筒振幅分别为h₁、h₂、…、h_n的工况，并按照平面比尺λ_L将设置的工况进行转换，得到水动力提升装置物理模型的m*n种工况，具体为直径或边长r₁’、r₂’、…、r_n’浮筒振幅分别为h₁’、h₂’、…、h_n’的工况，其中，

i＝1,..,m，j＝1,…,n。

本实施例中，m＝3，n＝3，天然状态下浮筒底盘为圆形，直径分别为10、19m及32m，天然状态下振幅分别为4、5、6m(对应曲轴半径分别为2.0、2.5、3.0m)，天然状态下振荡频率约60次/min，模型中振荡频率为7.5次/min。水动力提升装置物理模型具体如图4所示，安装在沙滩圆弧的中心位置，其坐标为：X＝640417.4659，Y＝93246.8982；试验在水位1.0m下进行。

S5、按照预设工况启动电机，得到所有工况下的波浪高度集合A’＝{a_l'|l＝m*n*S}和波浪周期集合T’＝{t_l'|l＝m*n*S}。

S6、将波浪高度集合A’中所有波浪振幅按照平面比尺λ_L进行换算，将波浪周期集合T’中所有波浪周期按照周期比尺λ_T进行换算，得到水动力弱区域天然状态下的波浪振幅集合A＝{a_l|l＝m*n*S}和波浪周期集合T＝{t_l|l＝m*n*S}，其中，a_l＝λ_La_l'，t_l＝λ_Tt_l'，

最终换算到天然状态下的试验结果列于表1～表5.

表1波浪要素特征值统计表(浮筒直径10.0m)

表2波浪要素特征值统计表(浮筒直径19.0m)

表3波浪要素特征值统计表(浮筒直径32.0m)

表4南堤西挡墙和南堤造浪波高要素统计表

表5万人沙滩波高量值统计表

S7、根据波浪高度集合A和波浪周期结合T，得到水动力提升装置的性能，其中，弱动力区域波浪高度越高，水动力提升性能越好。

由实验结果可见：

a、悬浮振荡式造浪器，其波高与底盘尺寸、振幅有关，其中底盘尺寸对波高的影响大于振幅，如拦沙堤中部的6#测点，底盘为10、19、32m时，振幅为5m时，波高分别为0.56m、0.61m、1.26m，直径为19m的底盘，振幅为4.0、5.0、6.0m时，波高分别为0.61、0.61、0.73m；

b、南闸西侧挡墙，在振幅为4.0～6.0m情况下，当底盘直径为10m时，波高为0.2～0.35m，当底盘直径为19m时，波高为0.37～0.43m，当底盘直径为32m时，波高为0.55～1.04m；

c、南堤附近，在振幅为4.0～6.0m情况下，当底盘直径为10m时，波高为0.11～0.19m，当底盘直径为19m时，波高为0.15～0.20m，当底盘直径为32m时，波高为0.28～0.45m；

d、拦沙堤南部，在振幅为4.0～6.0m情况下，当底盘直径为10m时，波高为0.33～0.47m，当底盘直径为19m时，波高为0.48～0.49m，当底盘直径为32m时，波高为0.76～1.13m；

e、拦沙堤北部，在振幅为4.0～6.0m情况下，当底盘直径为10m时，波高为0.42～0.53m，当底盘直径为19m时，波高为0.40～0.54m，当底盘直径为32m时，波高为0.76～1.03m；

f、沙滩东北角，在振幅为4.0～6.0m情况下，当底盘直径为10m时，波高为0.18～0.22m，当底盘直径为19m时，波高为0.26～0.44m，当底盘直径为32m时，波高为0.56～0.83m；

g、从波高分布大小看，平均波高由大到小依次为拦沙堤南部、拦沙堤北部、沙滩东北角、南闸西墙、南堤。

综上可见，悬浮振荡式造浪器，可以产生不同波高的波浪，当底盘直径为10m时，沙滩部位的波高为0.33～0.53m，当底盘直径为19m时，沙滩部位的波高为0.40～0.57m，当底盘直径为32m时，沙滩部位的波高可达0.76～1.13m，可见，本实施例的水动力提升装置是可以有效提升水动力的。

本实施例提供的另外一种基于竖轴推流的水动力提升装置的性能测试方法是通过数学建模实现，具体包括如下步骤：

S1、建立水动力弱区域的水动力数学模型，具体包括：

(1)质量连续方程：

式中，u，v，w为笛卡尔坐标系x、y和z三个方向的速度分量，A_x，A_y，A_z分别是在x、y、z方向上可流动的面积分数，ρ为流体密度，R_SOR为密度源项，可用于模拟例如通过多孔障碍物表面的质量注入；

(2)动量方程：

式中，G_x，G_y，G_z分别是x、y和z三个方向的重力加速度；f_x，f_y，f_z分别是x、y和z三个方向的粘滞力加速度；项U_w＝(u_w，v_w，w_w)表示源组件三个方向的速度；项U_s＝(u_s，v_s，w_s)表示源表面处的流体相对于源本身三个方向的速度；V_F是有自由面的流体体积分数，R是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为1，δ表示一个系数，取0时，表示压力边界条件为滞压型，取1时，表示压力边界条件为静压型；

(3)湍流模型：

式中，k_T为湍动能，P_T为湍流产生项，G_T为浮力产生项，

为扩散项，ε_T为湍动能耗散率，RMTKE，CDIS1和CNU为用户定义参数，默认值分别是1.39，1.42和0.085，CDIS2由k_T和P_T计算得到，v_T为运动湍流粘度；μ为分子动力粘度；ρ为流体密度；p为压力；CHRO是另一个湍流参数，其默认值为0.0，但对于热浮力流，则应选择为约2.5；υ_k是k_T的扩散系数，并且是基于湍流粘度的局部值计算的。用户定义的参数RMTKE是用于计算湍流扩散系数的粘度系数(其值默认为1.0)。

(4)流体分布：

流体分布根据流体体积函数F(x，y，z，t)来定义，该函数表示每单位体积的流体#1的体积，且满足如下等式：

式中：F是函数F(x，y，z，t)缩写，ζ是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为0，υ_F为扩散系数，F_SOR是密度源项，是与质量源相关的流体#1的体积分数时间变化率。项F的解释取决于要解决的问题的类型，不可压缩的问题必须涉及具有自由表面的单一流体或两种流体且没有自由表面。对于单一流体，项F表示流体占据的体积分数。因此，存在流体，则其中项F＝1，空隙区域对应于F＝0的位置。“空隙”是没有流体质量的区域，其具有分配给它们的均匀压力。在物理上，它们代表充满蒸汽或气体的区域，其密度相对于流体密度是微不足道的。

S2、获取水动力弱区域的边界，并采用六面体结构化网格划分为若干网格，水动力弱区域四周及底部均采用无划移Wall边界，顶部设置为压力边界，大气压强为1.01×10⁵Pa，流体分数设置为0，表示完全是空气。

本实施例中，所研究的水动力弱区域同上一个测试方法所实验的区域相同。采用六面体结构化网格对模型进行网格划分。为提高计算精度，在造浪机附近增加2层嵌套网格，既能提高计算精度又可减轻计算机的计算量。总网格单元数为1209314个，活动网格单元数为708092个。

S3、建立水动力提升装置的数学模型，放置于水动力弱区域中心，具体为沙滩圆弧中心设置水动力提升装置，如图5和图6所示。

S4、设置m*n种工况，具体为设置水动力提升装置浮筒直径或边长分别为r₁、r₂、…、r_m浮筒振幅分别为h₁、h₂、…、h_n的工况。

数值模拟采用的造浪工况，下部底盘直径分别为10、19m及32m，振幅分别为4、5、6m(曲轴半径分别为2.0、2.5、3.0m)，振荡频率约60次/min。故共有9种工况，如表6所示。

表6工况设计

S5、水动力提升装置分别按照设置的工况启动，通过建立的水动力数学模型追踪自由表面流动，确定自由液面位置，并基于有限差分法对模型进行离散求解和GMRES隐式求解器计算，得到所有工况下各区域速度分布。

其中，有限差分法的求解步骤包括：

(1)通过动量方程进行显式近似，用于计算所有平流，压力和其他加速度的初始条件，或先前时间水平值对新的时间水平速度的第一次猜测。

(2)为了满足质量连续方程，当使用隐式选项时，在每个单元中迭代地调整压力，并且将由每个压力变化引起的速度变化加到步骤(1)中计算的速度上。需要迭代，因为一个单元中所需的压力变化将打乱六个相邻单元中的平衡。在显式计算中，仍然可以在每个单元内执行迭代以满足可压缩问题的状态方程。

(3)最后，当存在自由表面或流体界面时，使用流体分布的公式更新它，以提供新的流体分布。对于可压缩问题，必须更新密度和能量，以反映平流，扩散和源过程。

(4)重复以上步骤，在计算时间内逐步向精确解逼近。当然，在每个步骤中，必须在所有网格，障碍物和自由边界表面施加合适的边界条件。

在本研究中，采用有限差分法对计算区域进行离散后求解，网格统一设置为正方体，以提高计算精度和效率。

GMRES表示广义最小残差方法。除了GMRES求解器之外，FLOW3D还提供了一种新的可选算法-广义共轭梯度(GCG)算法，用于求解新GMRES求解器中的粘性项。这种新的求解器是一种高度准确和有效的方法，可以解决各种各样的问题。它具有良好的收敛性，对称性和求解速度；但是，它确实比SOR或SADI方法占用更多的内存。GMRES解算器不使用任何松弛因子。基于上述优势，在本实施例中，采用GMRES作为压力速度求解器。

S6、根据各工况下各区域速度分布，得到水动力提升装置的性能，其中，流速越大，水动力提升性能越好。

由于工况众多，故仅选取典型的工况(下部底盘直径为32m，振幅为4m)进行展示。由前面物理模型实验的结果可知，造浪产生的波高在0.2m到1.13m之间。如果数值模拟想要较为精确地捕捉到波高，网格长度不可超过0.04m。根据前面水泵射流工况的计算经验，网格长度为2m时，需要1209314个网格，为了捕捉波高，假设网格长度设为0.04m，则需要1209314×503个网格，这可能需要数星期的计算时间。故受计算机计算能力的限制，本部分不对波高进行研究，重点研究流场分布情况。

对数值模拟结果，提取水平面以下1m的截面(水平面为z＝0m，即提取Z＝-1m的平面)处的流速分布图，分析造浪机附近的流速分布情况及拦沙堤附近的流速分布情况。图7为造浪机附近的流速分布情况。由图7可知，流速大小从造浪机中心向四周逐渐递减。流速最大的区域在造浪机四周，最大流速超过0.6m/s。在距离造浪机边缘约50m外，流速迅速减小至0.15m/s以下，基本在0.05m/s到0.15m/s之间。

造浪机的影响范围有限，在离开造浪机边缘约50m处之外，流速迅速减小至0.15m/s以下。在拦沙堤附近，流速基本在0.05m/s到0.15m/s之间。造浪机对万人沙滩东部的影响较小，流速基本在0.05m/s以下。

通过以上实验可知，当对沙滩有旅游和娱乐需求时，可采用人工造浪措施。物理模型实验给出了造浪器不同振幅和不同底盘直径组合时，沙滩不同位置产生的波高。底盘直径为32m，振幅为4m的工况的数值模拟计算结果表明，拦沙堤附近流速在0.05m/s到0.15m/s之间，其他工况可得到类似的结果。决策者可根据对产生波高的实际需要选用合适的造浪器。

Claims (2)

1.一种基于人工造浪的水动力提升装置的性能测试方法，所述基于人工造浪的水动力提升装置包括电机、曲轴、漂浮支架、连接线、滑轮和浮筒，所述电机和所述滑轮安装在所述漂浮支架上，所述曲轴固定在所述电机上，所述连接线一端连接所述曲轴，另一端绕过滑轮与位于漂浮支架下的浮筒连接；其特征在于该性能测试方法包括如下步骤：

S1、获取水动力弱区域尺寸；

S2、建立水动力弱区域缩小后的物理模型，其中，缩小比例为预设平面比尺λ_L；

S3、在水动力弱区域物理模型中随机选择S个监测点布置浪高监测设备；

S4、设置m*n种工况，具体为设置水动力提升装置中浮筒直径或边长分别为r₁、r₂、…、r_m、浮筒振幅分别为h₁、h₂、…、h_n的工况，并按照平面比尺λ_L将设置的工况进行转换，得到水动力提升装置物理模型的m*n种工况，具体为直径或边长r₁’、r₂’、…、r_n’浮筒振幅分别为h₁’、h₂’、…、h_n’的工况，其中，

S5、按照预设工况启动电机，得到所有工况下的波浪高度集合A’＝{a'_l|l＝m*n*S}和波浪周期集合T’＝{t'_l|l＝m*n*S}；

S6、将波浪高度集合A’中所有波浪振幅按照平面比尺λ_L进行换算，将波浪周期集合T’中所有波浪周期按照周期比尺λ_T进行换算，得到水动力弱区域天然状态下的波浪振幅集合A＝{a_l|l＝m*n*S}和波浪周期集合T＝{t_l|l＝m*n*S}，其中，a_l＝λ_La'_l，t_l＝λ_Tt'_l，

S7、根据波浪高度集合A和波浪周期集合T，得到水动力提升装置的性能，其中，弱动力区域波浪高度越高，水动力提升性能越好。

2.一种基于人工造浪的水动力提升装置的性能测试方法，所述基于人工造浪的水动力提升装置包括电机、曲轴、漂浮支架、连接线、滑轮和浮筒，所述电机和所述滑轮安装在所述漂浮支架上，所述曲轴固定在所述电机上，所述连接线一端连接所述曲轴，另一端绕过滑轮与位于漂浮支架下的浮筒连接；其特征在于该性能测试方法包括如下步骤：

S1、建立水动力弱区域的水动力数学模型，具体包括：

(1)质量连续方程：

式中，u,v,w为笛卡尔坐标系x、y和z三个方向的速度分量，A_x,A_y,A_z分别是在x、y、z方向上可流动的面积分数，ρ为流体密度，R_SOR为密度源项；

(2)动量方程：

式中,G_x,G_y,G_z分别是x、y和z三个方向的重力加速度；f_x,f_y,f_z分别是x、y和z三个方向的粘滞力加速度；项U_w＝(u_w，v_w，w_w)表示源组件三个方向的速度；项U_s＝(u_s，v_s，w_s)表示源表面处的流体相对于源本身三个方向的速度；V_F是有自由面的流体体积分数,R是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为1，δ表示一个系数，取0时，表示压力边界条件为滞压型，取1时，表示压力边界条件为静压型；

(3)湍流模型：

式中，k_T为湍动能，P_T为湍流产生项，G_T为浮力产生项，

为扩散项，ε_T为湍动能耗散率，RMTKE，CDIS1和CNU为用户定义参数，默认值分别是1.39，1.42和0.085，CDIS2由k_T和P_T计算得到，v_T为运动湍流粘度；

(4)流体分布：

流体分布根据流体体积函数F(x，y，z，t)来定义，该函数表示每单位体积的流体#1的体积，且满足如下等式：

式中：F是函数F(x，y，z，t)缩写，ζ是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为0，υ_F为扩散系数，F_SOR是密度源项，是与质量源相关的流体#1的体积分数时间变化率；

S2、获取水动力弱区域的边界，并采用六面体结构化网格划分为若干网格，水动力弱区域四周及底部均采用无划移Wall边界，顶部设置为压力边界，大气压强为1.01×10⁵Pa，流体分数设置为0，表示完全是空气；

S3、建立水动力提升装置的数学模型，放置于水动力弱区域中心；

S4、设置m*n种工况，具体为设置水动力提升装置浮筒直径或边长分别为r₁、r₂、…、r_m浮筒振幅分别为h₁、h₂、…、h_n的工况；

S5、水动力提升装置分别按照设置的工况启动，通过建立的水动力数学模型追踪自由表面流动，确定自由液面位置，并基于有限差分法对模型进行离散求解和GMRES隐式求解器计算，得到所有工况下各区域速度分布；

S6、根据各工况下各区域速度分布，得到水动力提升装置的性能，其中，流速越大，水动力提升性能越好。

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